CN209426782U - 轨道几何参数高精度检测车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种轨道几何参数高精度检测车，涉及数据检测技术领域，轨道几何参数高精度检测车包括车体、轨道轮组、传感器组、倾角仪、数据采集卡、锂电池和工控机，车体包括底板、底部支架、检测梁、座椅、设备放置台和遮阳板，轨道轮组包括前轨道轮和后轨道轮，传感器包括两个激光传感器。轨道几何参数高精度检测车先对初始坐标数据依次进行滤波处理和误差校正处理，滤波处理有效减小地面与杂草对初始坐标数据造成的干扰，车上设置座椅以供工作人员跟随检测车实时检测，发现异常时及时中止纠错，从而保证最后生成的几何参数数据的准确性；遮阳板与座椅靠背对锂电池进行遮挡保护。

Description

轨道几何参数高精度检测车

技术领域

本实用新型涉及一种数据检测技术领域，具体涉及一种基于有轨电车槽型轨的轨道几何参数高精度检测车。

背景技术

近年来地铁、轻轨、现代有轨电车等城市轨道交通飞速发展，现代有轨电车以其在造价、能耗、使用寿命、建设周期、安全性等方面优于地铁和轻轨，能有效解决城市交通拥堵和交通污染等社会问题，适应现代城市低碳、快捷运输的需求，因而现代有轨电车在全国得到迅速推广和发展。目前全国已有11个城市开通运营了有轨电车，并且超过100个城市提出了建设现代有轨电车线路的意向或规划。面对现代有轨电车迅猛的发展趋势，市场上却缺少对现代有轨电车槽型轨轨道几何参数检测的设备，轨道作为现代有轨电车安全运行的基础，对其状态的检测是必不可少的。

现有一种轨道几何参数检测方法采用激光位移传感器获取槽型轨的轮廓数据，并根据倾角仪获取的倾斜角数据、以及将获取的轮廓数据和预设的槽型轨模型数据进行比对而对槽型轨的轮廓数据进行校正，进而计算生成偏差更小的槽型轨几何参数数据。

现有的该种槽型轨几何参数检测方法存在的问题是，该方法在进行校正时，多采用轨顶点的数据作为运算基准，但实际上，轨顶点多被杂草或水泥地所覆盖，因而激光位移传感器获取的轮廓数据中轨顶点的坐标数据偏差较大，导致最后计算生成的轨道几何参数均存在较大偏差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种有效减小检测偏差的轨道几何参数高精度检测车。

本实用新型目的提供的轨道几何参数高精度检测车包括车体、轨道轮组、传感器组、倾角仪、数据采集卡和工控机，轨道轮组包括前轨道轮和后轨道轮，传感器包括两个激光传感器；轨道几何参数高精度检测车还包括锂电池，车体包括底板、底部支架、检测梁、座椅、设备放置台和遮阳板；座椅固定安装在底板上表面的中部，设备放置台固定连接在底板的上表面且位于座椅的朝向的前方，锂电池放置于底板的上表面上且位于座椅的后方，遮阳板和座椅的靠背共同从锂电池的上方对锂电池遮挡；底部支架包括框体，框体连接在底板的下表面上，且框体支撑于下表面的四周周边处；检测梁、前轨道轮和后轨道轮均安装于框体上，检测梁位于前轨道轮与后轨道轮之间；检测梁沿前轨道轮的转动轴线方向延伸；检测梁的延伸两端均安装有一个朝下设置的激光传感器，倾角仪安装在检测梁的延伸中部。

由上述方案可见，检测车上设置两个激光传感器、数据采集卡和工控机以实现上述的轨道几何参数检测方法，对经过滤波处理后的坐标数据进行校正以及参数计算，可有减小最终获得的轨道几何参数数据的偏差；检测车上设置座椅以提供工作人员跟随检测车实时检测，发现异常可及时勘测，运算异常时及时中止纠错；遮阳板与座椅靠背共同作用对锂电池进行遮挡保护。

进一步的方案是，轨道几何参数高精度检测车还包括挡光件，检测梁的延伸两端均安装有一个挡光件，挡光件从水平方向对激光传感器遮挡。

更进一步的方案是，挡光件包括垂向设置的第一挡光壁、第二挡光壁和第三挡光壁，第一挡光壁、第二挡光壁和第三挡光壁相互连接成凵型，且第一挡光壁、第二挡光壁和第三挡光壁之间形成的开口朝向激光传感器。

由上可见，凵型的挡光件从检测车的横向外侧效遮挡光线，减少光线对激光传感器的影响，提高初始坐标数据的准确性。

附图说明

图1为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施例第一视角的结构图。

图2为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施例第二视角的结构图。

图3为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施中检测梁和传感器组的结构图。

图4为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施中底部支架的结构图。

图5为本实用新型轨道几何参数高精度检测方法实施例的流程图。

图6为本实用新型轨道几何参数高精度检测方法实施例中槽型轨的分段原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

轨道几何参数高精度检测车实施例

参见图1和图2，图1为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施例第一视角的结构图，图2为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施例第二视角的结构图。轨道几何参数高精度检测车包括车体、轨道轮组、传感器组、倾角仪、数据采集卡、锂电池10和工控机71。车体包括底板1、底部支架8、检测梁3、座椅4、设备放置台7和遮阳板6。车体包括座椅41和座椅42，座椅41和座椅42在车体的横向上并排设置，座椅41具有后仰的靠背411，座椅42具有后仰的靠背421，座椅41和座椅42之间的置物盒43，置物盒43的可翻动上盖设置有内凹的圆形的放置位431。座椅41和座椅42固定安装在底板1上表面的中部，设备放置台7固定连接在底板1的上表面且位于座椅41的朝向的前方，工控机71放置在设备放置台7上；锂电池10放置于底板1的上表面上且位于座椅41和座椅42的后方。

遮阳板6包括朝向车体后方且朝上设置的第一板块61和朝向设置的第二板块62，第一板块61、第二板块62、靠背411和靠背421共同从锂电池10的上方对锂电池10遮挡。第一板块61和第二板块62可选择太阳能电池板支撑。

底部支架8连接在底板1的下表面上，且底部支架8支撑于底板1下表面的四周周边处；轨道轮组包括前轨道轮21和后轨道轮22，检测梁3、前轨道轮21和后轨道轮22均安装于底部支架上，检测梁3位于前轨道轮21与后轨道轮22之间；检测梁3沿前轨道轮21的转动轴线方向延伸。

结合图3，图3为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施中检测梁和传感器组的结构图。检测梁3包括一体成型的基板31、两块侧板32和多块肋板33；基板31和侧板32均沿前轨道轮21的转动轴线方向延伸，两块侧板32对称地连接在基板31的两侧，侧板32垂直于基板31，基板31和两块侧板32之间形成U型槽30，U型槽30沿前轨道轮21的转动轴线方向延伸，多块肋板33间隔地设置在U型槽30中，肋板33垂直于基板31且垂直于侧板32，肋板33连接在两块侧板32与基板31之间。基板31和侧板32在检测梁3的延伸方向的中部均具有较大面积，从而使检测梁3的延伸中部具有更大的截面积。

传感器组包括两个激光传感器51和两个双轴加速度传感器52，检测梁3的延伸两端均安装有一个朝下设置的激光传感器51和一个双轴加速度传感器52，倾角仪53安装在检测梁3的延伸中部。检测梁3的延伸两端均安装有一个挡光件9，挡光件9从检测车的横向外侧对激光传感器51遮挡。挡光件9包括垂向设置的第一挡光壁91、第二挡光壁92和第三挡光壁93，第一挡光壁91、第二挡光壁92和第三挡光壁93相互连接成凵型，且第一挡光壁91、第二挡光壁92和第三挡光壁93之间形成的开口朝向激光传感器51。

结合图4，图4为本实用新型轨道几何参数高精度检测车实施中底部支架的结构图。底部支架8一体成型，底部支架8包括一个框体801和设置在框体801中部的纵向梁802和横向梁803，框体801横截面呈工字型，框体801包括依次连接的上端面板81、垂向板82和下端面板83，垂向板82垂向设置，上端面板81和下端面板83均垂直于垂向板82设置。

上端面板81为表面平整的面板，用于与底板1固定连接；纵向梁802截面呈T型，纵向梁802的上面板与上端面板81位于同一平面。垂向壁82在检测车前进方向的前端和后端的部分上设置有一个弓形结构，弓形结构包括直线部821、弧形部822和形成于直线部821与弧形部822之间的开口823，开口823的内边上连接有一圈完整的弓形壁84，弧形部822朝地面方向从框体801的下端拱起。

框体801在垂直于检测车前进方向的横向的两侧均设置有一个安装框架85，安装框架85的壁体86垂直于垂向壁82，且安装框架85的壁体86从下端面板83朝地面方向下凸；横向梁803连接于两个安装框架85之间，横向梁803截面呈T型；检测梁3的延伸两端通过螺栓固定安装在两侧的两个安装框架85的壁体86上。

底部支架的工字型截面结构以及梁体的T型截面结构在减轻车体整体重量的同时保证检测车的力学强度；安装框架85的壁体86的下凸设置能提供激光传感器51更好的检测距离，同时保证连接处的力学强度。

轨道几何参数高精度检测方法实施例

参见图5，图5为本实用新型轨道几何参数高精度检测方法实施例的流程图。本实施例使用上轨道几何参数高精度检测车实施例中的检测系统对轨道的几何参数数据进行检测和计算。工控机71内具有处理器，激光传感器51、双轴加速度传感器52和倾角仪53通过数据采集卡和工控机71连接。

首先由处理器执行步骤S1，获取来自激光传感器的初始坐标数据。轨道轮组的转轴上的光电编码器发出脉冲信号触发激光传感器51、双轴加速度传感器52和倾角仪53工作并获取对应的数据信息，并传输至处理器中，激光传感器51则获取关于左、右两个槽型轨的初始坐标数据，并将左、右两个槽型轨的初始坐标数据的数据点整合到同一坐标系中：

采集所得数据用坐标表示为

左轨：(x₁₀,y₁₀),(x₁₁,y₁₁),…,(x_1n,y_1n)，

右轨：(x₂₀,y₂₀),(x₂₁,y₂₁),…,(x_2n,y_2n)；

矩阵表示为：左轨：X₁,Y₁，右轨：X₂,Y₂；

随后对两个2D激光传感器采集到的数据进行坐标转换整合到同一坐标系，将右轨坐标系转换至左轨坐标系，转换模型如下：

b_x,b_y为两个激光传感器之间分别在X轴方向和Y轴方向的距离，m为尺度参数，α为两坐标系的角度差，已知z坐标不变，转换后右轨的检测点数据坐标为：(x′₂₀,y′₂₀),(x′₂₁,y′₂₁),…,(x′_2n,y′_2n)，随后获得原始组数据：左轨：X₁,Y₁右轨：X′₂,Y₂。

随后处理器执行步骤S2，对获取的初始坐标数据进行滤波处理。结合图6，图6为本实用新型轨道几何参数检测方法实施例中槽型轨的分段原理图。首先对初始坐标数据进行限幅滤波处理并生成第一预处理坐标数据，对初始坐标数据整体进行限幅滤波处理能有效去除划定坐标范围以外的干扰点，例如地面干扰点和杂草干扰点。

然后处理器根据第一预处理坐标数据中各个数据点的坐标对第一预处理坐标数据进行分段处理，对左槽型轨的坐标数据点集和右槽型轨的坐标数据点集均划分为宽轨顶坐标点区域、轨腰坐标点区域、槽底坐标点区域和窄轨侧坐标点区域，图6所示为左轨11的轨面的分段原理图，其包括n_L个坐标数据点。首先获取左轨11槽底点110的坐标数据记录为CL，并将CL作为计算基准按以下公式组计算以对左轨数据点进行分段：

第一段(宽轨顶坐标点区域11a)：

start_L1＝1

第二段(轨腰坐标点区域11b)：

start_L2＝end_L1+1

第三段(槽底坐标点区域11c)：

start_L3＝end_L2+1

第四段(窄轨侧坐标点区域11d)：

start_L4＝end_L3+1

随后处理器对第一预处理坐标数据进行第二次滤波处理，对槽底坐标点区域进行高斯滤波处理，对宽轨顶坐标点区域、轨腰坐标点区域和窄轨侧坐标点区域进行均值滤波处理。由于槽底坐标点区域的数据点呈围绕分布，且由于槽底区域磨损较小，采用高斯滤波能对槽底坐标点区域产生很好的滤波效果，随后计算以槽底区域的数据点作为参照能更有效较小计算偏差；经测试，高斯滤波耗时较长，低通滤波、自适应滤波较均值滤波效果差，因此对槽底坐标点区域以外的坐标点区域采用均值滤波持恒滤波效果与处理效率。滤波处理完成后，处理器生成预处理坐标数据。

随后处理器执行步骤S3，对预处理坐标数据进行校正并生成校正坐标数据。由于左轨道数据点的校正和左轨道数据点的校正规则相同，故仅以坐轨道点的校正进行具体说明。

先对预处理坐标数据中关于车体左右倾斜的误差进行校正：

A、首先计算出轨面顶部特征点。对于左侧轨道的轨道数据点，根据轨道数据点依次计算相邻轨面顶部特征点之差,可得：

Δy′_1i＝y′_1i-y′_1(i-1)i＝1,2,…,n

B、选定相邻十个差值进行求和：

C、找出s_1i值最小的一组数据对应的点作为校正所需的左轨轨面顶部特征点，即Δy′_1s,Δy′_1(s+1),…,Δy′_1(s+9)。

D、同理可以得到右轨轨面顶部特征点,即Δy′_2s,Δy′_2(s+1),…,Δy′_2(s+9)。

E、根据提取到的两组轨面顶部特征点数据(以下简称轨顶面点)，采用最小二乘法将所取的轨顶面点拟合成一条直线，可以得出其斜率k,故所得直线方程为：

y＝kx+b

F、根据此斜率可以得出车体倾斜角度β：

β＝tan^-1k

G、然后根据此斜率可以校正轨道数据点误差。利用车体倾斜角度β对轨道数据点的横纵坐标进行误差校正，根据公式：

X^*＝Xcosβ+Ysinβ

Y^*＝Ycosβ-Xsinβ

经校正后得到的轨道数据点为:左轨：右轨：即第一校正坐标数据。

后对第一校正坐标数据中关于车体前后倾斜的误差进行校正：

A、提取轨宽特征点：

首先，找到左轨槽底最低点y_1min；将直线y＝y_1min向上平移14mm后得到直线y＝y_1min+14，然后将轨腰两侧数据点进行直线拟合，得到直线y_1a＝k_1ax+b_1a，y_1b＝k_1bx+b_1b；最后将直线y＝y_1min+14与直线y_1a＝k_1ax+b_1a和y_1b＝k_1bx+b_1b分别联立，得到交点，即左轨的两个轨宽点A₁(x_1a,y_1a)，B₁(x_1b,y_1b)，可以得到右轨的轨宽点：A₂(x_2a,y_2a)，B₂(x_2b,y_2b)。

B、根据计算所得轨宽点的横坐标，得到参考轨宽：d₁＝x_1b-x_1a、d₂＝x_2b-x_2a。

C、根据槽型轨的标准轨宽d_z，计算得到偏角α：

D、根据偏角α校正车体前后倾斜即车体航向与轨向不一致产生的误差和轨道数据点的误差并生成校正坐标数据。

随后处理器执行步骤S4，根据校正坐标数据生成轨道几何参数数据。轨道几何参数数据包括轨道磨耗值。基于匹配算法，通过将无磨耗标准坐标数据和校正坐标数据(有磨耗实测坐标数据)进行拟合而实现对两个模型的匹配，再通过计算两者特征点差值而计算出槽型轨的垂直磨耗和侧面磨耗。其中，由于槽型轨凹槽部分磨耗较小，计算时选择凹槽数据点作为拟合基准。

假定，校正坐标数据为X_a＝{(x_a1,y_a1),(x_a2,y_a2),(x_a2,y_a2),(x_a3,y_a3)…(x_an,y_an)}，首先获取轨道的槽底点x值x_cd1：在X_a中找出y值最小的点(x_min,y_min)，然后将直线y＝y_min向上平移10mm生成直线y＝y_min+10。在x值处于区间(x_a1,x_min)和(x_min,x_an)各找出最靠近直线y＝y_min+10的两个点(x_min1,y_min1)和(x_min2,y_min2)并求出x_min1和x_min2的平均值作为槽底点x值：x_cd1＝(x_min1+x_min2)/2。

然后对校正坐标数据进行旋转校正处理。在X_a中找出x值处于区间(x_cd1-17,x_cd1-15)的点形成点集X_b，对X_b进行最小二乘法得出回归直线y＝k₁₁x+b₁₁计算X_b的点与直线y＝k₁₁x+b₁₁的距离并提取距离小于1mm形成点集X_c,对X_c进行最小二乘法得出回归直线y＝k₁x+b₁。同理，在X_a中找出x值处于区间(x_cd1+15,x_cd1+17)的点形成点集X_d,经过两次直线回归得出回归直线y＝k₂x+b₂根据两条回归直线方程求出倾斜角δδ＝(tan^-1k₁+tan^-1k₂)/2，最后对X_a的点以坐标原点为旋转中心逆时针旋转δ，得出校正后的数据点集：

X_e＝{(x_e1,y_e1),(x_e2,y_e2),(x_e2,y_e2),(x_e3,y_e3)…(x_en,y_en)}

x_ei＝x_ai*cosδ+y_ai*sinδ,i＝1,2,3…n

y_ei＝y_ai*cosδ-x_ai*sinδ,i＝1,2,3…n

最后固定原点并重构坐标系。

利用求出X_e的槽底点x值x_cd2在X_e中找出x值处于区间(x_cd2-13,x_cd2-10)的点形成点集X_f＝{(x_f1,y_f1),(x_f2,y_f2),(x_f2,y_f2),(x_f3,y_f3)…(x_fn,y_fn)}，对X_f进行圆拟合求出圆心坐标值(x_c1,y_c1)。本项目采取圆拟合算法如下已知圆的标准方程为：

(x-x_c1)²+(y-y_c1)²＝r²

其中，根据槽型轨的设计标准可知半径值r＝13.8。

然后根据最小二乘法原理来求出圆心坐标值(x_c1,y_c1)的最优解，由于对于圆方程来说计算y值的残差的平方和计算过于复杂所以用数据点与圆心的距离与半径的差代替残差，即求的最小值。对x_c1和y_c1求偏导计算极小值，可得方程组：

上述方程组为二元非线性方程组，采取牛顿迭代法求解:

F(x)的Jacobian矩阵为：

根据牛顿迭代公式x^(k+1)＝x^(k)-F_J(x^(k))^-1*F(x^(k))可求出圆心坐标值(x_c1,y_c1)的近似值作为圆心坐标值(x_c1,y_c1)。

随后计算X_f中的点与圆心的距离并提取距离小于1mm形成点集X_g，用拟合圆算法再一次求X_g的圆心更新圆心坐标值(x_c1,y_c1)。在X_e中找出x值处于区间(x_cd2+10,x_cd2+13)的点形成点集X_h,对X_h用上述方法两次圆拟合求出圆心坐标值(x_c2,y_c2)。以两个圆心的中点作为坐标的原点，修正X_e得出点集

X_j＝{(x_f1,y_f1),(x_f2,y_f2),(x_f2,y_f2),(x_f3,y_f3)…(x_fn,y_fn)}即

上述所求的X_j为完成模型匹配的重构坐标轨道数据。

随后执行轨道磨耗值计算，假设重构坐标轨道数据为：

X_a＝{(x_a1,y_a1),(x_a2,y_a2),(x_a2,y_a2),(x_a3,y_a3)…(x_an,y_an)}

A.求出左轨标准顶磨特征点：

获取X_a槽底点x值x_cd，在X_a中找出x值处于区间(x_cd-37.785,x_cd-35.785)的点形成点集X_b，对X_b进行最小二乘法得出回归直线y＝k₁x+b₁，得左轨标准顶磨特征点l_dm：

l_dm＝k₁*(x_cd-36.785)+b₁

B.求出左轨标准侧磨特征点：

获取X_a中y值最大的点(x_max,y_max)，后在X_a中找出x值处于区间(0,x_cd)且y值处于区间(y_max-17,y_max-15)的点形成点集X_c，对X_c进行最小二乘法得出回归直线y＝k₂x+b₂，则左轨标准顶磨特征点l_cm：

l_cm＝(y_max-17-b₂)/k₂

C.同上A和B的算法求出左轨的实测顶磨特征点l_dm′和实测侧磨特征点l_cm′：

左轨道总磨耗L_mh则为

本实用新型提供的轨道几何参数检测方法中，处理器先对获取的初始坐标数据进行滤波处理，对轨道上不同位置采用处理效果更好的滤波处理方式，从而获取偏差较小的预处理坐标数据，对经过滤波处理后的坐标数据进行校正以及参数计算，可以减小最终获得的轨道几何参数数据的偏差。

最后需要强调的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.轨道几何参数高精度检测车，包括车体、轨道轮组、传感器组、倾角仪、数据采集卡和工控机，所述轨道轮组包括前轨道轮和后轨道轮，所述传感器组包括两个激光传感器；

其特征在于：

所述轨道几何参数高精度检测车还包括锂电池；

所述车体包括底板、底部支架、检测梁、座椅、设备放置台和遮阳板；

所述座椅固定安装在底板上表面的中部，所述设备放置台固定连接在所述底板的上表面且位于所述座椅的朝向的前方，所述锂电池放置于所述底板的上表面且位于所述座椅的后方，所述遮阳板和所述座椅的靠背共同从所述锂电池的上方对所述锂电池遮挡；

所述底部支架连接在所述底板的下表面上，且所述底部支架支撑于所述下表面的四周周边处；

所述检测梁、所述前轨道轮和所述后轨道轮均安装于所述底部支架上，所述检测梁位于所述前轨道轮与所述后轨道轮之间；所述检测梁沿所述前轨道轮的转动轴线方向延伸；

所述检测梁的延伸两端均安装有一个朝下垂直设置的所述激光传感器，所述倾角仪安装在所述检测梁的延伸中部。

2.根据权利要求1所述的轨道几何参数高精度检测车，其特征在于：

所述轨道几何参数高精度检测车轨道几何参数高精度检测车还包括挡光件，所述检测梁的延伸两端均安装有一个所述挡光件，所述挡光件从所述检测车行驶方向的横向外侧对所述激光传感器遮挡。

3.根据权利要求2所述的轨道几何参数高精度检测车，其特征在于：

所述挡光件包括垂向设置的第一挡光壁、第二挡光壁和第三挡光壁，所述第一挡光壁、所述第二挡光壁和所述第三挡光壁相互连接成凵型，且所述第一挡光壁、所述第二挡光壁和所述第三挡光壁之间形成的开口朝向所述激光传感器。